库仑耦合量子点热电与热管理器件的性能特性研究

随着纳米科技与量子技术的发展,纳米尺度下的物理过程为当今的技术革命带来了新的机遇与挑战,也为新兴学科的发展提供了丰富的土壤。量子热力学作为一门新兴的学科主要研究纳米尺度下量子系统的热力学性能,其中纳米尺度下热与电的输运及转化是当前研究的热点内容之一。这对于基础物理学的发展与应用具有重要的意义。本文基于库仑耦合量子点系统,研究该量子系统的热-电转化性能及热管理与调控。本文主要由两部分组成。第一部分包括第二到第四章,主要研究纳米尺度下热-电转化性能。该部分内容基于两个量子点库仑耦合模型,构成了三端量子点热电器件。在这个三端热电器件结构中,能够有效地解耦热流与电流,并且实现高低温热库有效地分离。高低温热库之间只能够通过两个量子点之间的库仑相互作用交换热量。基于赛贝克效应及帕尔帖效应,热电器件能够实现从高温库吸收热量驱动电子克服外界偏压对外做功,也能实现在外部偏压的驱动下将低温库的热量传到高温库的泵热或制冷。进一步提出三端量子点热机和制冷机分别具有两种不同的工作模式,即不同的系统参数配置,可以满足不同的工作要求。研究了热机和制冷机的热力学性能及优化特性,确定了热机和制冷机分别在两种不同配置下的优化区间。系统地分析了非对称能量依赖隧穿对热电器件热力学性能及优化特性的影响。比较了热机在两种不同配置下的性能特性及最大功率下的优化性能。研究表明,理想情况下热机和制冷机在两种不同的配置下都能够实现可逆工作,达到卡诺效率。非对称能量依赖隧穿是实现三端量子点热机或制冷机的必要条件,也是导致系统内部不可逆损失的关键因素,深刻地影响着系统的电子与能量输运以及热电器件的性能。该部分研究作为量子热力学的研究热点对深刻理解量子系统的热力学性能具有重要的理论意义,也为开发新型的纳米热电器件及其实际的应用提供了重要的理论指导。第二部分包括第五与第六章,主要研究纳米尺度下的热管理。通过构造一个由三个库仑耦合量子点分别与各自的热电子库连接的三端量子点系统可以调控系统热流。在这个系统中,量子点之间的电子输运是被禁止的,但是当不同热电子库之间存在温度梯度时,由于不同量子点之间的库仑相互作用,不同电子库之间能够实现热输运。基于此,这个三端量子点系统能够实现不同形式的热管理,比如热流交换、热开关和热通路选择。该系统还可以构造两个重要的固态热电路元件:热二极管和热三极管,其中热二极管类比于电子二极管,能够实现热流在正向温度梯度下导通,在反向温度梯度下抑制。研究表明,该系统能够在两个不同的热通路分别实现热二极管操作,具有显著的热整流效果。三端量子点系统存在反常的热输运特征,表现出负微分热阻现象。这是实现热三极管效应最基本的要素。因此,该系统的三个端可以构成基极、集电极和发射极,从而实现类比于电子晶体管的热三极管操作,能够通过基极的热流或温度调控集电极和发射极的热流。具体分析表明,基极的一个微小的热流变化能够引起集电极和发射极较大的热流变化。这使得量子点热三极管能够放大基极端微小的热信号,通过优化集电极和发射极间的库仑相互作用或减小基极能量依赖隧穿几率能够获得更大的热放大系数。这里所提出的量子点热管理器件可为工程技术上调控纳米尺度下的热输运提供了一种可行性方案,在低温固态热电路中具有潜在的应用价值。